用 UC3842芯片設(shè)計(jì)開關(guān)電源 摘 要 ：介紹電流控制型脈寬調(diào)制器 UC3842 的原理及特性，并討論其在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。 關(guān)鍵字： 脈寬調(diào)制 電流控制 開關(guān)電源 筆者最近設(shè)計(jì)了由 UC3842組成的 DC-DC轉(zhuǎn)換器，總的框架采用參考文獻(xiàn)中現(xiàn)成的電路。但由于輸入電壓和工作頻率不同，重新設(shè)計(jì)了電路參數(shù)。 1、 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) UC3842是美國 Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片。 UC3842為 8 腳雙列直插式封裝，其內(nèi)部原理框圖如圖 1 所 示。主要由 5.0V基準(zhǔn)電壓源、用來精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測(cè)定比較器、 PWM 鎖存器、高增益 E/A 誤差放大器和適用于驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET的大電流推挽輸出電路等構(gòu)成。端 1為 COMP 端；端 2 為反饋端；端 3 為電流測(cè)定端；端 4 接 Rt、 Ct 確定鋸齒波頻率；端 5 接地；端 6 為推挽輸出端，有拉、灌電流的能力；端 7 為集成塊工作電源電壓端，可以工作在 8 40V；端 8 為內(nèi)部供外用的基準(zhǔn)電壓 5V，帶載能力 50mA。 2、電路結(jié)構(gòu)與工作原理 圖 2所示為筆者在實(shí)際工作中使用的電路圖。輸入電壓為 24V直流電。 三路直流輸出，分別為 +5V/4A， +12V/0.3A 和 -12V/0.3A。所有的二極管都采用快速反應(yīng)二極管，核心 PWM器件采用 UC3842。開關(guān)管采用快速大功率場(chǎng)效應(yīng)管。 2.1 啟動(dòng)過程 首先由電源通過啟動(dòng)電阻 R 1提供電流給電容 C2充電，當(dāng) C2電壓達(dá)到 UC3842 的啟動(dòng)電壓門檻值 16V 時(shí)， UC3842 開始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由 6端輸出推動(dòng)開關(guān)管工作，輸出信號(hào)為高低電壓脈沖。高電壓脈沖期間，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電流通過變壓器原邊，同時(shí)把能量儲(chǔ)存在變壓器中。根據(jù)同名端標(biāo)識(shí)情況，此時(shí)變壓器各路副邊沒有能量輸出。當(dāng) 6 腳輸出的高電平脈沖結(jié)束時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，根據(jù)楞次定律，變壓器原邊為維持電流不變，產(chǎn)生下正上負(fù)的感生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)副邊各路二極管導(dǎo)通，向外提供能量。同時(shí)反饋線圈向 UC3842 供電。 UC3842內(nèi)部設(shè)有欠壓鎖定電路，其開啟和關(guān)閉閾值分別為 16V和 10V，如圖 3所示。在開啟之前， UC3842 消耗的電流在 1mA 以內(nèi)。電源電壓接通之后，當(dāng) 7 端電壓升至 16V 時(shí) UC3842 開始工作，啟動(dòng)正常工作后，它的消耗電流約為 15mA。因?yàn)?UC3842的啟動(dòng)電流在 1mA以內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)參照這些參數(shù)選取 R1，所以在 R1 上的功耗很 小。 當(dāng)然，若 VCC端電壓較小時(shí)，在 R1 上的壓降很小，全部供電工作都可由 R1降壓后來完成。但是，通常情況下， VCC端電壓都比較大，這樣完全通過 R1 來提供正常工作電壓就會(huì)使 R1自身功耗太大，對(duì)整個(gè)電源來說效率太低。一般來說，隨著 UC3842 的啟動(dòng)， R1的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓來為 UC3842 供電。故 R1的功率不必選得很大， 1W、 2W 就足夠了。筆者認(rèn)為，雖然理論上 UC3842 啟動(dòng)電流在 1mA 以內(nèi)，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，按 1.6 2.0mA 設(shè)計(jì)則工作比較便利。即當(dāng) VCC端電壓為 U 伏時(shí) 2.2 穩(wěn)壓過程 從圖 2 中可知，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，整流電壓加在變壓器 T初級(jí)繞組 Np 上的電能變成磁能儲(chǔ)存在變壓器中，在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，Np繞組中電流達(dá)到最大值 Ipmax，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律： 式中： E 整流電壓； Lp 變壓器初級(jí)繞組電感； Ton 場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間。 在場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉瞬間，變壓器次級(jí)繞組放電電流為最大值 Ismax，若忽略各種損耗應(yīng)為 式中： n 變壓器變比， n=Np/Ns， Np、 Ns為變壓器初、次級(jí)繞組匝數(shù)。 高頻變壓器在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通期間初級(jí)繞組儲(chǔ)存的能量與場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉期間次級(jí)繞組釋放的能量相等： 式中： Ls 變壓器次級(jí)繞組電感； Uo 輸出電壓； Toff場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉時(shí)間。 上式說明，輸出電壓 Uo 與 Ton 成正比，與匝比 n 及 Toff 成反比。比如，由于電源電壓變化或負(fù)載變化而引起輸出電壓降低時(shí)，反饋線圈的輸出電壓則會(huì)變低，從而使 2 端電壓變低，則脈寬調(diào)制器會(huì)相應(yīng)的增大輸出 PWM波形的占空比，使大功率晶體管導(dǎo)通的時(shí)間變長；反之，當(dāng)電源電壓變化或負(fù)載變化而引起輸出電壓升高時(shí)，則脈寬調(diào)制器會(huì)相應(yīng)的減 小 PWM 輸出脈沖波形的占空比，使大功率晶體管導(dǎo)通的時(shí)間變短，從而維持輸出電壓為一恒定值。 UC3842為固定工作頻率脈寬調(diào)制方式，輸出電壓或負(fù)載變化時(shí)僅調(diào)整占空比，控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通時(shí)間。反饋電壓輸入 2 腳，此腳電壓與內(nèi)部 2.5V 基準(zhǔn)進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，從而控制脈沖寬度；輸出脈沖的頻率由 4 腳外接定時(shí)電阻 Rt 及定時(shí)電容 Ct決定， f 的單位取 k ， Ct取 F 。 3 腳為電感電流傳感器端，當(dāng)取樣超過 1V時(shí)，縮小導(dǎo)通脈寬，使電源處于間隙工作狀態(tài)； 6腳，輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅 50ns，驅(qū)動(dòng)能力為 1A ； 7 腳，供電輸入，起振后工作電壓為 10 13V，低于 10V 停止工作，功耗為15mW； 8腳，內(nèi)部基準(zhǔn) 5V(50mA)。 2.3 過流保護(hù)原理 當(dāng)負(fù)載電流超過額定值或短路時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管電流增加， R9 上的電壓反饋至 3 腳 (電壓大于 1V)，通過內(nèi)部電 流放大器使導(dǎo)通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使 UC3842 停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場(chǎng)效應(yīng)管截止，達(dá)到保護(hù)功率管的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源自動(dòng)恢復(fù)正常工作。 2.4 過壓保護(hù)原理 當(dāng)因某種原因使輸出電壓過高時(shí)，由反饋繞組形成的電壓也高，從而使 2腳的電壓過高，內(nèi)部保護(hù)電路起動(dòng)，使 6 腳輸出脈沖高電平時(shí)間變短，或不輸出高電平使開關(guān)管截止。 2.5 開關(guān)管保護(hù)電路 由 D3、 R10、 C1 及 R11、 C14、 D4構(gòu)成，消除由變壓器漏感產(chǎn)生的反峰電壓，從而使開關(guān)工作電壓不至于太高而毀壞。 3、設(shè)計(jì)中 的注意事項(xiàng) 3.1 起動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 電路如圖 4所示，電容 C2儲(chǔ)存的能量要能滿足電源開始正常 工作的需要，使得 UC3842 第 7腳有穩(wěn)定、充足的輸入供給。即電容 C2的放電時(shí)間要大于 UC3 842 輸出脈沖的高電平持續(xù)時(shí)間。否則，電源將出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。因此，電容 C2 的容量和 質(zhì)量的選取非常重要。筆者在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中， C2 曾用 100F 鋁電解電容，經(jīng)常發(fā)現(xiàn) 電源打嗝；測(cè)量反饋端電壓，總是太低，以至于反饋端的整流二極管都沒有工作，說明反饋 端電壓幅度不夠。原因在于 C2容量不夠，不能提供足夠的能量來使 UC3842 充 分工作，因此 ，容量最好在 100F 以上。 3.2 反饋繞組的設(shè)計(jì) 當(dāng) UC3842 啟動(dòng)后，若反饋繞組不能提供足夠的 UF，電路就會(huì)不停地起動(dòng) ，出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。另外，根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，若 UF大于 17.5V時(shí)， 也會(huì)引起 UC3842 工作異常，導(dǎo)致輸出脈沖占空比變小，輸出電壓變低。故而反饋繞組匝數(shù)的 選取及其纏繞是非常重要的，一般可按 13 15V 設(shè)計(jì)，使 UC3842 正常工作時(shí)， 7 腳的電壓維持 在 13V 左右。 4、結(jié)束語 UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器。假如由于某種原因使輸出電壓升高時(shí)，脈 寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度，亦即占空比 D，使斬波后的平均 值電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的，反之亦然。 UC3842 可以直接驅(qū)動(dòng) MOS 管、